深部地下空间储能安全与应急保障技术现状与发展趋势

伴随“三深引领”的科技攻关目标,我国油气资源勘探正由浅表地层向深部地层进发,千米级深部地下工程建设已成常态。随着深地工程的探索,枯竭油气藏、盐穴、采空区等可利用的深部地下空间涌现,深部地下空间在大规模能源储存利用上已被证明具有储量大、分布广、安全性高、经济成本低和环境友好等优势,深部地下空间工业化储能应用是优化我国能源储存结构、保障国家能源储存战略需求的有力手段。然而,我国对深部地下空间储能安全与应急保障技术研究起步较晚,目前常用的地面油气储存手段受限于地理环境、工程建设以及运输方式等条件,同时地面油气储备库事故存在致因因素复杂、关联性强、受灾波及范围广等安全难题,深部地下空间能源安全储存迫在眉睫。当下我国对深部地下空间储能的利用聚焦于枯竭油气藏的再开发,现有的深地安全保障技术落后于深地储能基础设施安全保障的现实需求。因此,本文系统性总结了深地储气、储氢、碳封存以及压缩空气蓄能等深地储能技术研究现状,以能源行业绿色转型兼备战略能源安全储存为目标,强调能源储存、碳封存以及资源深度开采的三位一体,提出了深地空间储能利用双碳循环架构。同时系统性辨识了深地储能设备设施面临的风险,涵盖深地储能设计期、施工期、运行期和废弃期的全生命周期,揭示我国深地储能安全与应急保障技术发展需求、发展难点,构建了深地储能全生命周期安全与应急保障技术框架,提出我国2024—2050年期间深部地下空间储能安全与应急保障技术发展建议,为完善我国深部地下空间储能安全与应急保障技术体系提供参考。

甘肃北山新场深部地下水中铀的赋存形态及其影响因素的地球化学模拟研究

核能的快速发展产生了大量的高水平放射性废物(简称高放废物),对生态环境和人类健康构成了巨大的威胁,其安全处置已成为国际放射性废物管理的重难点问题。深部地质处置被普遍认为是高放废物最安全可靠、技术上非常可行的处置方法。目前,我国已启动了甘肃北山新场高放废物地质处置地下实验室的建设,放射性元素铀在深部地下水中的形态分布及其影响因素从微观层面能为北山深地质处置性能评价提供基础数据,但尚不明晰,亟需开展相关地球化学模拟研究。基于PHREEQC中的llnl.dat数据库,添加NEA-TDB和ThermoChimie数据库中U(Ⅵ)的热力学数据,使用地球化学模拟软件PHREEQC.v3和PhreePlot.v11对铀在我国甘肃北山新场高放废物地质处置地下实验室场址BS28孔深部地下水中的赋存形态及分布进行了模拟计算,旨在厘清铀在北山深部地下水中的赋存形态,探讨pH、pE以及Ca^(2+)与HCO_(3)^(-)浓度比对铀在北山深部地下水中形态分布的影响。模拟结果表明,在该深部地下水环境下,铀主要以六价的形式存在,Ca_(2)UO_(2)(CO_(3))_(3)(aq)和CaUO_(2)(CO_(3))_(3)^(2-)是主要的赋存形态,其占比分别为84.14%和15.16%。受氧化还原氛围的影响,铀的价态在pE<1时逐渐由U(Ⅵ)转变为U(Ⅳ),且在pE=-1~1时,UO_(2)(s)和可溶性碳酸铀酰络合物可同时存在。Ca^(2+)与HCO_(3)^(-)的浓度比低倾向于形成CaUO_(2)(CO_(3))_(3)^(2-),浓度比高易于形成Ca_(2)UO_(2)(CO_(3))_(3)(aq)。Ca^(2+)-UO_(2)^(2+)-CO_(3)^(2)三元体系很大程度上会影响铀在北山深部地下水的溶解度和迁移能力。本研究结果将有助于查明铀在北山花岗岩裂隙中的迁移和吸附机理。

CO_(2)地质封存深部地下空间利用管理法规探讨

深部咸水层CO_(2)地质封存是实现温室气体减排、应对气候变化的重要支撑技术之一。CO_(2)在地下的长期有效封存,需要直接占用深部地质体及其孔隙空间。这些深部地下空间也是未来社会发展的一种重要国土资源,需要制定相关的审批与监管法规来规范其科学开发利用。总结发达国家或地区管理现状与经验,参考已有参考矿产、油气资源勘查开发等经验,提出适用于我国的CO_(2)地质封存地下空间勘查利用审批与管理流程,以及地下空间利用与CO_(2)确权、场地选址勘查备案、勘查试注审批、地下空间利用权审批、封场审批与责任转移5个重要内容;同时,进一步建立了综合CO_(2)羽流、扰动边界和经济性“三级边界”的地下空间利用评估概念模型,以及各类边界的确定方法,能够为我国CO_(2)地质封存地下空间开发利用的政策制定与开发利用提供参考。

高放废物处置库芨芨槽预选场址深部地下水同位素研究

深地质处置是目前国际上普遍接受的高放废物安全处置方案。对于这种方案而言,安全处置高放废物的前提是选择适宜的场址,而场址的适宜性在很大程度上取决于其水文地质条件。高放废物处置库场址需要低渗透岩体作为处置库围岩,对于低渗透岩体而言,经典和传统的水文地质研究方法受到了很大的限制,而同位素技术与其他水文地质方法结合时,却能发挥出良好的作用。本文以目前我国高放废物处置库预选场址之一的芨芨槽场址为例,重点讨论了同位素方法在花岗岩体场址水文地质研究中的应用。根据钻孔不同深度的地下水环境同位素（δD、δ~18O、3~H和14~C）组成特征,结合场址水文地质条件,识别了区内地下水的来源,揭示了控制地下水运移交替速率的主要因素。结果表明,该区深部地下水14~C年龄高达8000a左右,说明其交替、运移十分缓慢,但同时也含有少量的氚,说明地下水以侧向补给的＂老水＂为主,接受当地大气降水入渗补给的＂新水＂所占比例很小。此外,通过地下水14~C年龄与取样段岩芯采取率的对比,认识到对于区内的花岗岩体而言,决定地下水交替、运移速率的主要因素是裂隙的发育程度,而不是深度。

分布式电磁探测系统在深部地下水资源勘查中的应用

可控源音频大地电磁法(CSAMT)是一种有效的地下深部资源勘探方法,但现有仪器分段分时的工作方式使得其观测精度受不同排列观测条件差异的影响。为了提高测量精度和效率,研制了一种实现整条测线多点同步观测的分布式电磁探测系统。系统由级联式大功率发射系统和分布式多通道接收系统组成,通过移动发射源位置实现CSAMT和激发极化法2种测量功能;仪器采集的多道原始数据经过干扰噪声抑制后提取出反演参数。利用该系统在吉林松江河地区开展了深部地下水资源勘查,并与同类仪器GDP32II的勘探结果进行了对比。结果表明:分布式电磁探测系统多点同步观测方式不但提高了工作效率,而且有效地克服了时变性、区域性外界噪声产生的横向异常影响。根据勘查结果在该地区成功预测了深部地下水的有利赋存位置并得到了钻井验证。

综合物探方法寻找深部地下水

因为地热勘查目标体较深,埋藏浅的也要近千米,勘探难度大,单一的物探勘查方法所得结果认识模糊,很难获得好的效果。笔者设计一项地热勘查,在辽宁省某地热带上,投入了地面高精度磁测、CSAMT、TEM、使用EH-4做MT(fmin=0.1 Hz)、使用V8做MT等多种勘查方法。多种方法的投入既提供了多参数多信息,又相互验证了方法的有效性,从而对最终结果的判识起到了至关重要的作用,最终成功布井。说明了综合利用物探方法在勘探难度增大的工作中是解决问题的有效途径。

深部地下空间周围岩体性能研究浅探

目前,我国防护工程的动力计算和设计理论都是建立在连续介质波动力学基础上的,这些方法和理论无法解释开发深部地下结构时出现的一些现象。作者从深部岩体的结构、变形、高应力状态及其结构与介质的相互作用出发,总结出深部岩块体系的五个特点,并探讨了其应用前景。

深部地下工程重大灾害案例网络平台建设与应用

为改变当前岩土工程专业课"填鸭式"教学模式,文章提出建设深部地下工程重大灾害案例网络辅助教学平台以实现案例式、研讨式教学模式。通过搜集与整理大量的案例素材,并根据教学要求对案例进行筛选与设计,构建工程灾害案例库。在此基础上,基于Web技术开发地下工程重大灾害案例库网络平台,实现案例资源信息的整合与共享,便于学生及时巩固所学知识。该网络平台已应用于中国矿业大学岩土工程专业课教学实践,效果良好,深受学生欢迎,其具有广泛的应用前景和推广价值。

采动影响下矿区深部地下水循环氢氧稳定同位素示踪

为了揭示开采扰动影响下深部地下水循环机制,准确预测井下开采充水类型,以淮北煤田宿-临矿区为研究示范,采用氢氧稳定同位素示踪技术,分析矿区地下水循环过程、补给来源,从而确定地下水混合的线性端元,进而开展地下水线性端元混合比例的计算。研究结果表明:在含水层补给区沿地下水径流方向δ值降低,在径流区或排泄区δ值较为恒定;矿区地下水混合的线性端元为大气降水直接入渗水、滞留入渗水以及古地下水;由于开采充水影响,矿区主要充水含水层线性端元混合比例相差较大。因此,只有通过确定地下水线性端元混合比例的动态变化趋势,才能推测煤矿开采进程中充水来源,为矿井突水预测预报与地下水资源保护提供理论依据。

三维数字技术的深部地下水埋藏条件

论述了北京市中心地区（336 km2、100 m深度内）三维水文地质结构的研究方法,提出建立工程尺度的冲洪积扇区三维水文地质模型的工作原则和方法,并利用385个各类钻孔,形成总长度约520 km的31个剖面,采用三维数字技术,建立北京市中心地区三维水文地质结构模型.将研究域含水层系统划分为5个含水层和8个弱透水层互层的多层系统.结合地下空间开发层次,对深部地下水含水层规模和几何形状、空间分布、水力联系、地下水类型等埋藏信息展开深入研究.结果表明：北京中心地区的西郊深部主要分布单层潜水,是深部区域地下水的主要补给源;东部深部大部分地区主要分布多层承压水,且承压水头普遍较高;中轴线附近,受地层沉积规律演变影响,地下水赋存环境复杂,地下水处于单层向多层水演变阶段;中轴线以西及北部地区,在埋深30-50 m处分布着一层粉质黏土、粘质粉土层,是深部地下水承压性标志层,在工程建设中应加以识别和注意.

深部地下工程重大灾害微课程视频建设思路探析

微课程是大规模网络开放课程(MOOC)的基本组成单元,是目前高校研究的热点。针对工科本科生专业课的微课程研究匮乏的现状,提出了土木工程专业深部地下工程重大灾害微课程视频建设思路,并详细介绍了具体实施方案。通过建设微视频,将以更为直观、形象的方式来讲解理论性比较强的土木工程专业问题和现场联系密切的工程实践问题,大大提高学生的学习积极性。本文提出的建设思路对于后续高校工科专业的微视频教学改革具有重要的参考价值。

深部地下硐室与应力场轴变关系及其围岩损伤破裂分析

针对深部地下硐室与地应力场之间的轴变关系及其对硐室围岩损伤破裂的影响,建立了非均质围岩统计损伤力学模型;分析了不同断面形状、地层侧压系数、构造应力场对硐室围岩损伤破裂的作用机制和影响规律,定义了地层临界侧压系数;开展了三山岛金矿西岭矿区埋深2000 m地层硐室损伤破裂数值模拟,得到了该矿区深部地下硐室设计与布置原则.研究结果表明,“等应力轴比”情况下硐室围岩应力集中程度最小,损伤破裂区面积最小;地应力场是围岩损伤破裂的根本原因,侧压系数越大,硐室顶、底板处应力峰值越大,围岩以拉伸破裂为主,围岩损伤破裂区面积随侧压系数增大呈指数性增大;随着地层深度的增加,硐室临界侧压系数不断减小并趋近于1,深部地下硐室对水平构造应力更加敏感;构造应力场诱使围岩损伤破裂程度增大,损伤破裂区向构造应力场围岩应力集中区转移,使得硐室围岩发生冒顶和岩爆风险升高.因此,深部地下硐室的设计与布置应结合实际地应力条件,硐室轴向、断面形状、轴比尽可能符合地应力条件,从而最大程度降低地应力场对硐室围岩损伤破裂及稳定性的不利影响.

几种旋转地震仪在深部地下巷道的观测对比

光纤旋转地震仪具有宽频带、高灵敏度、便携等优点,在地震旋转运动的观测中有着广阔的应用前景.光学旋转地震仪的性能会受观测环境噪声的影响,因此,在低噪环境下测试仪器的自噪声、验证其对远震信号的分辨能力是非常有意义的.利用淮南停产的潘一东煤矿-848 m的地下巷道空间,我们开展了深部地下地震联合观测试验,对比了R-2型电化学式旋转地震仪与FOS1、FOS2、FOS3三种光纤旋转地震仪的自噪声水平,及其记录的远震Love波信号垂向旋转分量与切向加速度的相干性.观测与分析结果表明:光纤旋转地震仪的灵敏度高于R-2电化学式;较小的体积使得FOS3型六分量地震计的自噪声较高,而相对大体积的FOS1型单分量与FOS2型双分量光纤旋转地震计具有更低的自噪声和Allan方差,能有效捕获1000 km左右的远震旋转信号,且二者观测地震事件的波形具有较高的一致性.表明深地环境可用于光纤旋转地震仪的自噪声测试和比对,且有助于国内旋转地震仪性能的提高.

钱营孜煤矿深部地下水水化学特征及来源解析

我国浅部煤炭资源已逐渐枯竭,在煤炭进入深部开采的条件下,来自煤层底板高承压灰岩水的威胁也越来越大,深入理解矿区含水层中水化学组成控制机制是针对性地开展水害防治工作的重要科学前提。为了查明安徽钱营孜煤矿深部地下水中常规离子的定性与定量来源,通过多种数理统计方法(包括相关性分析和R型聚类分析)、离子比值法和Unmix模型对22个灰岩水中常规离子浓度进行了分析。结果表明,地下水呈中至弱碱性,溶解性总固体(TDS)变化范围为1945~5292 mg/L,阳离子平均质量浓度由大到小排序为:Na^(+)(718 mg/L)、Ca^(2+)(270 mg/L)、Mg^(2+)(153 mg/L),阴离子平均质量浓度由大到小排序为:SO_(4)^(2−)(2305 mg/L)、HCO_(3)^(−)(239 mg/L)、Cl^(−)(186 mg/L),95%样品的水化学类型为SO_(4)-Na型。相关性分析、聚类分析和离子比值分析表明,含水层中水化学组成控制因素主要为硫酸盐和碳酸盐矿物的溶解(源1)以及盐岩的溶解和硅酸盐矿物的风化(源2)。Unmix模型显示源1和源2对地下水中常规离子浓度的平均贡献率分别为56%和44%,其中,源1对Ca^(2+)、Mg^(2+)、Na^(+)和SO_(4)^(2−)浓度贡献率依次为73%、68%、63%和73%,源2对Cl^(−)和HCO_(3)^(−)浓度的贡献率分别为75%和66%。研究成果可为相似条件煤矿突水水源的精准识别提供理论支持。

深部地下巷道围岩结构监测信息化技术研究

在地下矿山开采过程中,巷道围岩结构变化具有显著的非线性特征,易引发较大的煤岩动力灾害。现有深部地下巷道围岩监测技术基于单一物理量的数据采集,缺乏多物理量的联合监测与分析,无法准确判断围岩结构变形状态。针对上述问题,基于对钻屑法、岩饼法、应力测量法、围岩变形监测法、电磁辐射法、声发射法、微震监测法、震动层析成像法等现有深部地下巷道围岩监测技术的分析,提出了采用深部地下巷道围岩结构监测信息化技术构建多源、多场的深部地下巷道围岩结构监测体系的设想,从数据感知、采集、传输、分析等方面阐述了深部地下巷道围岩结构监测信息化关键技术,并讨论了深部地下巷道围岩结构监测信息化面临的受限环境下传感节点供能、异构传感设备统一交互、时延敏感网络数据传输等挑战。

深部地下实验室扩挖岩爆监测与动态防控技术研究

中国锦屏地下实验室二期(CJPL-Ⅱ)扩挖工程建设潜在高等级岩爆风险。为此,建立了深部地下实验室相邻同向短洞室固定式和单侧相向扩挖移动式微震传感器阵列优化布置方法,构建了基于岩爆风险程度的岩爆预警频次优化原则,提出了针对性的CJPL-Ⅱ扩挖岩爆防控措施,实现了CJPL-Ⅱ扩挖过程岩爆实时监测、动态预警与防控,岩爆预警与实际情况吻合良好,保障了CJPL-Ⅱ扩挖顺利完成。分析了CJPL-Ⅱ扩挖各洞段开挖过程微破裂时空演化规律及其差,研究结果表明新增通道微震活动较扩挖段更为活跃,岩爆风险亦更高,扩挖微震活动活跃程度与空间集聚特征受扩挖断面尺寸,扩挖深度以及结构面影响。研究成果可为类似深埋工程安全建设提供借鉴。

潘谢矿区深部地下水常规水化学特征的多水源示踪分析

如何快速、准确地判别出矿井充水水源是煤矿井下安全开采急需解决的重要科学问题。以潘谢矿区为例,通过对该矿区多相含水层(第四系松散层孔隙含水层、二叠系砂岩裂隙含水层、石炭系太原组石灰岩溶裂隙含水层和奥陶系马家沟组白云岩溶裂隙含水层)68个水样的常规水化学特征的测试分析,表明了不同含水层的常规水化学类型;采用Bays线性示踪分析法,构建了不同含水层水化学判别模式。研究结果表明:第四系下含水与奥陶系岩溶水的区分程度高、判别效果显著,而二叠系煤系砂岩水与石炭系太灰水具有一定程度的误判率,两者之间存在混合现象,不易区分,表明两者之间存在一定的水力联系。上述研究成果为本区突水水源示踪奠定了理论基础。

深部地下空间热湿环境调控虚拟仿真实验教学系统的构建

虚拟仿真实验是将信息技术融入实验教学项目、提升实验教学质量和水平的重要举措,被列为教育部推出的5类国家“金课”之一,在创新人才培养方面发挥着重要作用。紧密依托学科优势和科研特色,基于“学生中心、自主交互”+“虚实结合、相互补充”+“科研前沿、特色明显”的设计理念,坚持需求和问题导向创新实验教学模式,将特色研究成果转化为实验教学资源,构建了“模块化+层次化+碎片化”的地下空间热湿环境调控虚拟仿真系统。学生可不受时间和地点限制,自主开展“沉浸式体验+专业化学习+交互式操作+全程化考核”线上虚拟仿真实验,弥补传统实体教学资源的不足,丰富实验教学手段和资源,提高学生动手实践及解决复杂工程问题的能力,有效提升人才培养的成效。

深部地下工程岩爆灾害模糊综合预测模型

为了合理预测深埋隧洞施工过程中岩爆灾害的发生,减少岩爆带来的危害,建立了基于岩石埋深H、岩石单轴抗压强度σ_(c)、岩石脆性系数σ_(c)/σ_(t)、岩石应力系数σ_(θ)/σ_(c)和岩石弹性变形能指数W_(et)共5个指标的评价体系。采用传统的层次分析法确定评价指标权重,模糊综合评价计算岩爆烈度结果,形成岩爆烈度预测模型。将该模型应用于大相岭隧道典型岩爆区段中,岩爆烈度评价结果与实际岩爆等级相符。

焦家断裂带深部地下水水化学特征及其变化规律研究

焦家断裂带位于龙(口)—莱(州)断裂带的南段,为胶西北地区三大著名的金成矿带之一,分布有新城、焦家、寺庄和马塘等多个大中型金矿。为研究焦家断裂带深部水化学特征及其变化规律,选取了焦家断裂带上多个矿区的抽水试验孔的深部地下水水样13个,对这13个水样进行常规阴阳离子含量统计分析,并对焦家断裂带走向和倾向上深部地下水水化学变化规律进行分析。结果表明:焦家断裂带深部地下水水化学类型以Cl^-Na型和Cl·HCO_3-Ca·Na型为主,矿化度(TDS)在0.77~9.66 g/L之间,多数为微咸水和咸水,部分为淡水。焦家断裂带深部地下水的强酸大于弱酸。TDS与Cl^-存在显著的线性正相关关系,与Na^+、Mg^(2+)之间存在较好的正相关关系,而与HCO_3^-、SO_4^(2-)、Ca^(2+)之间的相关关系不明显。对比分析表明,在焦家断裂带走向上,由南至北,Cl^-、Ca^(2+)含量和矿化度基本呈上升趋势。在焦家断裂带倾向上,由东至西,由浅部至深部,Cl^-含量和矿化度呈上升趋势,且下盘含水层的Cl^-浓度随深度变化较上盘含水层Cl^-浓度随深度变化快。该研究成果为区域内深部地下水的合理开发利用提供了指导。